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      保水劑施用方式對土壤水鹽及番茄生長的影響

      2011-05-12 03:16:04耿桂俊白崗栓杜社妮于健李曼
      中國水土保持科學(xué) 2011年3期
      關(guān)鍵詞:穴施保水劑鹽分

      耿桂俊,白崗栓,杜社妮?,于健,李曼

      (1.中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心,712100,陜西楊凌;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,712100,陜西楊凌;3.內(nèi)蒙古水利科學(xué)研究院,010020,呼和浩特;4.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,010020,呼和浩特)

      保水劑(super absorbent或super absorbent polymer,SAP)作為一種高分子化合物,具有很強(qiáng)的吸水、保水及反復(fù)吸水功能,能迅速吸收自身質(zhì)量幾百倍甚至上千倍的水分,吸持后的水分85% ~95%可緩慢釋放供作物利用[1-5]。保水劑可提高土壤持水性,改善土壤結(jié)構(gòu),減緩?fù)寥浪终舭l(fā),抑制土壤鹽分積累,增加土壤水分入滲,調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱狀況,改善作物生長條件,在節(jié)水農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)中得到了廣泛應(yīng)用[6-13]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)光熱資源豐富,是繼新疆之后我國第二大番茄(Lycopersicon esculentum)生產(chǎn)基地。河套灌區(qū)地處干旱、半干旱荒漠草原地帶,年降水量僅130~250 mm,為無灌溉便無農(nóng)業(yè)的區(qū)域,且土壤凍融造成的鹽漬化對農(nóng)作物危害十分嚴(yán)重[14]。隨著河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)、社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國家對黃河流域水資源的調(diào)配,河套灌區(qū)水資源,特別是灌溉水資源愈趨緊張,干旱和鹽漬化成為限制番茄發(fā)展的關(guān)鍵性因素。有關(guān)地面覆蓋、滴灌等農(nóng)藝和工程節(jié)水抑鹽方面的研究較多[15-18],但有關(guān)保水劑施用方式對土壤水分、鹽分及番茄生長的影響研究較少。為了促進(jìn)河套灌區(qū)番茄產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展和保水劑的應(yīng)用與推廣,開展了保水劑不同施用方式對土壤水分、鹽分和番茄生長影響的研究。

      1 研究區(qū)自然概況

      試驗(yàn)地位于河套灌區(qū)西部的磴口縣壩楞村,海拔1 048.7 m,地處干旱、半干旱、半荒漠草原帶,為中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫7.6℃,日照時(shí)間3 209.5 h,作物生長期5—9月光合有效輻射16.8萬J/cm2,年降雨量142.7 mm,年均蒸發(fā)量2381.8 mm,干燥度4.08,無霜期136~144 d,年均風(fēng)速3.0 m/s。該區(qū)域地帶性土壤為棕鈣土和漠鈣土,非地帶性土壤為草甸土和鹽化草甸土。試驗(yàn)地土壤為灌淤土,灌淤層超過1.0 m,質(zhì)地為壤土,耕層土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)約10.0 g/kg,田間持水量23.23%(10 cm土層土壤水層厚度34.38 mm),凋萎系數(shù)7.48%(10 cm土層土壤水層厚度11.07 mm),0~80 cm土層土壤體積質(zhì)量較為一致,平均為1.48 g/cm3,地下水位在3.0 m以下,耕層土壤含鹽量0.1%左右。番茄移栽時(shí)0~80 cm土層土壤質(zhì)量含水率為22.06%(水層厚度261.24 mm)。

      2 材料與方法

      2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

      試驗(yàn)用BJ2101-L保水劑為白色顆粒,粒徑1.6~4.0 mm,三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),為脫鈉處理的聚丙烯酸鈉高吸水樹脂[13],由北京漢力淼公司提供;參照吳娜等[9]、黃占斌等[10]、杜社妮等[12]的試驗(yàn)結(jié)果,BJ2101-L保水劑的施用量為45 kg/hm2。供試番茄品種為石番97-10(新疆石河子亞心種業(yè)有限公司生產(chǎn)),128育苗盤育苗,5葉1心,5月20日移栽。

      試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理,以不施為對照,探討溝施、混施、撒施、穴施BJ2101-L保水劑對土壤水分、鹽分和番茄生長的影響。對照為番茄移栽前先開溝(深10 cm,寬15 cm)施化肥,耱平小溝,覆蓋地膜,最后用點(diǎn)播器移栽番茄。溝施是在開溝施肥時(shí)將保水劑與化肥同時(shí)撒施在溝內(nèi)。混施是在開溝施化肥前將保水劑均勻撒施在番茄定植行上(寬15 cm),然后開溝施化肥。穴施是在開溝施化肥后,在距番茄定植處10 cm用點(diǎn)播器穴施保水劑(深度8~10 cm)。撒施是在開溝施化肥、耱平小溝后將保水劑撒施在定植行(寬15 cm)上。

      試驗(yàn)以單壟為1小區(qū),長20 m,定植番茄80株。每個(gè)小區(qū)為1個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3次,隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。

      2.2 農(nóng)藝措施

      供試番茄采用壟溝栽培,壟寬100 cm,溝寬20 cm,溝深20 cm,溝內(nèi)及壟面兩側(cè)覆約30 cm寬的地膜(地膜寬120 cm、厚0.008 mm)。壟上定植2行番茄,南北行向,行距70 cm,株距50 cm,定植行距壟邊沿15 cm,密度為3萬3 333株/hm2。施肥量磷酸二銨375.0 kg/hm2,氯化鉀37.5 kg/hm2。試驗(yàn)地采用溝灌,在番茄緩苗期(5月27日)、苗期(6月23日)、開花期(7月2日)、坐果期(8月12日)、果實(shí)轉(zhuǎn)色期(8月30日)各灌水1次,每次灌溉量為20 mm,整個(gè)生育期共灌水100 mm。番茄生育期內(nèi)不同處理的灌溉量、灌溉次數(shù)、施肥、除草等管理均相同。

      2.3 測定項(xiàng)目

      1)土壤水分。移栽前采用棋盤法在試驗(yàn)地壟面上選擇5個(gè)樣點(diǎn),用土鉆每間隔10 cm土層采樣1次,烘干法測定0~80 cm土層土壤水分。緩苗期(5月27日)、開花期(7月2日)、坐果期(8月12日)、拉秧期(9月28日)沿定植行測定不同處理0~80 cm土層土壤質(zhì)量含水率(%)。測定點(diǎn)沿定植行選取,距植株20 cm。根據(jù)不同土層的土壤體積質(zhì)量、土層厚度和土壤含水率換算出不同土層的土壤水分(水層厚度,mm)[12]。

      式中:w為土壤質(zhì)量含水率,%;Sw為濕土質(zhì)量,g;Sd為干土質(zhì)量,g。

      式中:h為土壤水層厚度,mm;Hs為土層厚度,cm;d為土壤密度,g/cm3。

      0~80 cm土層土壤水層厚度為0~10,10~20,…,70~80 cm土層土壤水層厚度之和。

      2)幼苗成活率。緩苗期后(6月5日)測定幼苗成活率。

      3)生物量。采收期測定不同處理的果實(shí)產(chǎn)量,烘干法測定果實(shí)含水量,根據(jù)果實(shí)產(chǎn)量及含水量折算果實(shí)生物量。拉秧期常規(guī)方法測定莖、葉(包括枯葉)生物量及青果(未成熟果實(shí))的個(gè)數(shù)、生物量。分層挖掘根系,測定根系生物量。

      4)土壤鹽分。在緩苗期,沿定植行在距離植株20 cm處用土鉆每間隔10 cm土層采樣1次,用電導(dǎo)法分層測定0~80 cm土層土壤鹽分(DDS-307電導(dǎo)率儀測定水土質(zhì)量比為5∶1土壤浸提液的電導(dǎo)率,然后換算成土壤水溶性全鹽含量)。

      小區(qū)旁設(shè)有農(nóng)田小氣候監(jiān)測儀,測定番茄生長期間的降水量。

      試驗(yàn)地平整,土層深厚及土壤質(zhì)地均一,假定試驗(yàn)地不產(chǎn)生滲漏、無地下水補(bǔ)給和水分的水平運(yùn)動,可根據(jù)不同處理番茄生物量和生長期間有效降水量、灌溉量,計(jì)算不同處理的水分利用效率[12]。

      式中:Et為田間耗水量,mm;p為生育期間的有效降水量,mm;I為生育期間的灌水量,mm;Δh為生育期間土壤水含量變化值,mm。

      式中:P為有效降水量,mm;λ為降水有效利用系數(shù);p'為降水量,mm。當(dāng)1次降水量或24 h降水量≤5 mm時(shí),λ=0;當(dāng)降水量 >5~≤50 mm時(shí),λ=1.00;當(dāng)降水量 >50~≤150 mm時(shí),λ=0.75~0.85;當(dāng)降水量>150 mm時(shí),λ=0.7。

      式中:W為水分利用效率,kg/(mm·hm2);B為地上部生物總量,kg/hm2。

      2.4 數(shù)據(jù)處理

      試驗(yàn)結(jié)果為3次重復(fù)的算術(shù)平均值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003制作圖表,用SPSS 10.0軟件進(jìn)行單因素方差分析;如果差異顯著,則采用Duncan’s檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較,檢驗(yàn)處理間的差異顯著性。

      3 結(jié)果與分析

      3.1 番茄生長期間的降水量

      河套灌區(qū)降水量比較小,從移栽到拉秧期共降水94.8 mm,其中有效降水88.4 mm,主要集中在苗期及采收期,開花期、坐果期降水較少(圖1)。

      圖1 番茄生長期間的降水量Fig.1 Precipitation during the growth period of Lycopersicon esculentum

      3.2 對土壤水分的影響

      受灌水、降水、番茄生長及土壤表面蒸發(fā)等的影響,土壤水分表現(xiàn)為緩苗期最高,坐果期最低(圖2)。

      圖2 番茄不同處理不同生長期0~80 cm土壤水分Fig.2 Soil moisture in 0-80 cm soil layer under different treatments in different growth stages of Lycopersicon esculentum

      移栽到緩苗期連續(xù)3日(5月25日—5月27日)降水,降水25.2 mm。緩苗期不同處理0~80 cm土層土壤含水量受春季凍融及降水的影響,基本在240~260 mm之間,表現(xiàn)為溝施>混施>穴施>撒施>對照,其中:溝施、混施、穴施、撒施均顯著高于對照(P <0.05),溝施顯著高于穴施和撒施,混施顯著高于撒施。緩苗期耕層(0~20 cm)土壤水分對照為45.23 mm,撒施為48.86 mm,溝施、混施、穴施在52~55 mm之間,均極顯著高于對照,顯著高于撒施。

      緩苗后到開花期降水2次,有效降水26.0 mm,灌水40 mm(5月28日20 mm,6月23日20 mm)。開花期0~80 cm土層土壤水含量基本維持在230~260 mm之間,表現(xiàn)為溝施>混施>穴施>撒施>對照,其中:溝施、混施均顯著高于其他處理,穴施顯著高于對照,而撒施與對照差異不顯著。開花期耕層土壤水分對照為42.16 mm,撒施為44.12 mm,穴施為47.11 mm,混施為48.48 mm,溝施50.23 mm,溝施、混施和穴施顯著高于撒施及對照,開花期良好的土壤水分是開花坐果的前提。

      坐果期是番茄果實(shí)產(chǎn)量形成的主要時(shí)期,是植株需水量最大的時(shí)期。坐果期氣溫較高,地面蒸發(fā)強(qiáng)烈,且無有效降水,此期僅灌水40 mm(7月7日20 mm,8月4日20 mm)。坐果期各處理的土壤水分含量較低,0~80 cm土層土壤水分基本在160~190 mm之間,表現(xiàn)為溝施>穴施>混施>撒施>對照,溝施、穴施、混施均顯著高于對照,溝施顯著高于混施、撒施;穴施顯著高于撒施;混施顯著高于對照。坐果期耕層土壤水分對照為23.64 mm,撒施26.12 mm,穴施 34.09 mm,混施 32.14 mm,溝施 37.43 mm,溝施、穴施和混施極顯著高于撒施和對照。施用保水劑后形成了相對良好水分的環(huán)境,可有效提高坐果率及促進(jìn)果實(shí)膨大。

      坐果末期到拉秧期有效降水37.2 mm,灌水20 mm(8月30日)。隨著果實(shí)的大量采收及氣溫的不斷降低,番茄需水量逐漸減少,拉秧期各處理0~80 cm土層土壤水含量基本維持在180~200 mm之間,不同處理表現(xiàn)為對照>撒施>穴施>混施>溝施,溝施、混施和穴施相互之間差異不顯著,但均顯著低于對照;撒施顯著高于溝施,但與對照差異不顯著。拉秧期對照的土壤水分含量較高,保水劑處理的含量較低,主要與拉秧前的降水量和番茄生長狀況相關(guān)。拉秧前降水量較多,此期對照番茄生長衰弱,而保水劑處理的番茄仍生長旺盛,青果較多,蒸騰作用強(qiáng)烈,消耗水分較多,因此其土壤含水量低于對照。

      3.3 對土壤鹽分的影響

      河套灌區(qū)土壤在春季凍融條件下隨土壤水分的強(qiáng)烈蒸發(fā),土壤鹽分被提升到表層,致使表層土壤鹽分含量增加。不同處理0~80 cm土層土壤鹽分表現(xiàn)為0~10 cm土層土壤鹽分較高,10~30 cm土層土壤鹽分較低,40~80 cm土層則隨土層深度逐漸增大(表1)。緩苗期0~10 cm土層的土壤鹽分表現(xiàn)為對照>撒施>混施>穴施>溝施,且相互之間達(dá)到極顯著差異。10~40 cm土層土壤鹽分較0~10 cm土層有所減小,但對照仍顯著高于撒施,極顯著高于穴施、溝施和混施。40 cm土層以下土壤鹽分含量較高,其中40~60 cm土層不同處理間土壤鹽分差異逐漸減小,60~80 cm不同處理間鹽分差異不顯著。表層土壤鹽分與土壤水分含量和土壤水分蒸發(fā)密切相關(guān),土壤水分越高,土壤鹽分越低。溝施、穴施、混施和撒施表層土壤鹽分含量均顯著低于對照,番茄幼苗成活率提高了14.78%、12.09%、9.14%和5.05%,均顯著或極顯著高于對照。

      表1 不同處理對番茄緩苗期土壤水溶性鹽及成活率的影響Tab.1 Soil salinity and survival rate under different treatments at revival time of Lycopersicon esculentum

      3.4 對番茄生物量及產(chǎn)量的影響

      施用保水劑后減緩了土壤水分蒸發(fā),提高了土壤水分,抑制了土壤返鹽,為番茄生長提供了相對良好的土壤環(huán)境。

      拉秧期不同施用方式的莖稈生物量達(dá)到顯著差異,且均極顯著高于對照。不同處理的葉片生物量達(dá)到顯著差異,其中溝施與穴施極顯著高于其他處理,混施與撒施極顯著高于對照。不同處理根系生物量表現(xiàn)為:穴施與溝施極顯著高于其他處理,混施、撒施、對照相互之間差異達(dá)極顯著;不同處理的青果生物量表現(xiàn)為溝施、穴施達(dá)極顯著差異,且極顯著高于其他處理,混施與撒施極顯著高于對照。不同處理的單株生物量,溝施、穴施、混施和撒施分別比對照提高了 76.54%、60.59%、43.66%、34.18%。

      不同施用方式均顯著提高了番茄單株產(chǎn)量。溝施、穴施、混施和撒施分別比對照提高了37.13%、30.53%、25.75%和12.57%,其中:溝施極顯著高于其他處理,穴施與混施極顯著高于撒施和對照,撒施極顯著高于對照。保水劑改善了土壤的水分狀況,延長了番茄的生育期,拉秧期的青果數(shù)極顯著高于對照(表2)。

      表2 拉秧期不同處理的單株生物量和產(chǎn)量Tab.2 Biomass and product under different treatments at uprooting time after harvest

      3.5 對番茄水分利用效率的影響

      番茄生育期間灌溉5次,灌水量為100.0 mm,生長期間的有效降水量為88.4 mm。從移栽到拉秧期不同處理的耗水量為溝施>混施>穴施>撒施>對照,之間無顯著性差異;水分利用效率為溝施>穴施>混施>撒施>對照,其中,溝施、穴施、混施和撒施比對照提高了 55.71%、44.36%、32.24%和23.58%,不同施用方式間均達(dá)到顯著差異,且都極顯著高于對照(表3)。

      表3 不同處理的耗水量及水分利用效率Tab.3 Water consumption and water use efficiency for different treatments

      4 結(jié)論與討論

      保水劑對土壤水分和作物生長的影響不僅與其吸水性和持水性有關(guān),而且與土壤質(zhì)地、降水量、灌水量、作物種類等密切相關(guān)。河套灌區(qū)地處干旱、半干旱、半荒漠草原帶,降水量小而蒸發(fā)量大,為無灌溉便無農(nóng)業(yè)的區(qū)域。試驗(yàn)地土壤為壤土,BJ2101-L保水劑撒施于地表,吸水后直徑可達(dá)30~40 mm,大面積暴露于大氣中,吸收的水分易散失到大氣中,對土壤水分貢獻(xiàn)較少。BJ2101-L保水劑混施于土壤,吸水后隨著水分的緩慢釋放進(jìn)行收縮,膨脹—收縮會形成較大的土壤空隙,有的空隙直接與大氣相通,促進(jìn)了土壤與大氣之間的水分交換,土壤水分較易散失。溝施的BJ2101-L保水劑在膨脹—收縮過程中也會形成較大的空隙,但該空隙與地表有土層間隔,吸收、保持的水分與大氣交換較弱,因而可保持較高的水分。穴施BJ2101-L保水劑與土壤接觸面積小,保水量較小且過分集中,在土壤水分相對充足的緩苗期,易導(dǎo)致土壤通氣不良而影響番茄生長及成活。王志剛等[7]在盆栽狀況下通過混施、溝施保水劑,認(rèn)為混施對作物成苗的效果優(yōu)于溝施,其主要原因是溝施造成局部土壤水分含量過高影響了作物正常出苗,與本研究得出的結(jié)論一致。溝施、混施、穴施、撒施的BJ2101-L保水劑在土壤中的分布深度不同,決定了其保水層在土壤中的分布深度。溝施、穴施的保水層相對較深,混施的相對較淺,撒施的則直接暴露于大氣中,故溝施、穴施吸收、保持的水分不易散失,混施的較易散失,而撒施的則最易散失。這與杜社妮等[19]在雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的陜北丘陵溝壑區(qū),通過撒施、溝施、穴施沃特保水劑,認(rèn)為溝施、穴施可提高土壤水分,促進(jìn)玉米生長的研究結(jié)論一致。

      河套灌區(qū)隨著春季氣溫的回升和凍土層的消融,土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈,鹽分聚集地表,而番茄原產(chǎn)于秘魯森林邊緣地帶,不耐鹽堿。保水劑可減少土壤蒸發(fā)[20],從而有效抑制土壤鹽分表聚,為作物生長營造一個(gè)濕潤且低鹽的土壤環(huán)境,使作物能較長時(shí)間地維持體內(nèi)水分平衡,保持生長活力,促進(jìn)根系生長,因而,不同施用方式的表層土壤鹽分降低,番茄移栽成活率提高。

      番茄在開花坐果期適宜的土壤水分是高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的關(guān)鍵。河套灌區(qū)受灌水體制及降水等的影響,開花期到坐果期土壤水分較低,特別是坐果期達(dá)到最低值,對果實(shí)膨大影響較大。開花期到坐果期BJ2101-L保水劑不同施用方式提高了土壤水分,特別是坐果期溝施、混施、穴施顯著提高了土壤水分,為番茄豐產(chǎn)提供了相對良好的土壤水分環(huán)境,故不同施用方式番茄的生長發(fā)育、產(chǎn)量明顯優(yōu)于對照。不同施用方式的耗水量及灌水量與對照差異不大,但其生物量顯著提高,因而其水分利用效率顯著提高。

      在河套灌區(qū)番茄生產(chǎn)中,溝施、穴施、混施、撒施BJ2101-L保水劑均可顯著提高番茄成活率、產(chǎn)量和水分利用效率,其中溝施效果最佳;因此,河套灌區(qū)番茄生產(chǎn)中BJ2101-L保水劑應(yīng)以溝施為主。

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